Innovation

Vom Feld auf unsere Teller – Fünf Innovationen in der Lebensmittelversorgung

In den nächsten fünf Jahren wird die Erdbevölkerung die Acht-Milliarden-Marke überschreiten. Das wird eine zunehmend große Herausforderung für die Produktion und Verteilung von Lebensmitteln. Denn die komplexe Kette, die für unsere Lebensmittelversorgung inzwischen notwendig ist, wird bereits heute durch das sich ändernde Klima und Wasserknappheit in vielen Regionen der Erde belastet.

Um den Anforderungen dieses Bevölkerungswachstums gerecht zu werden, brauchen wir neue Algorithmen im Bereich Künstliche Intelligenz (KI), Cloud-basierte Geräte, Innovationen in Chemie und Mikrobiologie sowie neue Sichtweisen auf das Thema Lebensmittelsicherheit im Ganzen.

Weltweit arbeiten IBM Forscherinnen und Forscher bereits an entsprechenden Projekten für eine zukunftssichere Lebensmittelversorgung: Der Unterstützung von Landwirten zur Maximierung ihrer Ernteerträge. Der Optimierung von Transportwegen und der besseren Verteilung von Lebensmitteln. Der Reduzierung von Abfallmengen. Der Entwicklung von Technologien, um Krankheitserreger und verunreinigte Substanzen rechtzeitig zu erkennen, bevor sie Menschen krankmachen oder der Erforschung neuer Wege, um Kunststoff zu recyclen.

Am Mittwoch, 13. Februar 2019, von 19 bis 20 Uhr mitteleuropäischer Zeit stellen fünf unserer Forscher im Rahmen eines Science Slams auf der Think 19, der weltgrößten IBM Kundenveranstaltung in San Francisco, ihre Projekte vor.

Anbei die Themen und Visionen, die unsere Wissenschaftler in diesem Jahr präsentieren werden:

Vom Saatgut…

Stellen Sie sich vor, dass zukünftig jeder, der ihn benötigt, sofortigen Zugriff auf alle wichtigen Daten über die weltweiten Agrarflächen bekommen könnte. In den nächsten fünf Jahren wird das Realität, wenn ein digitaler Zwilling aller landwirtschaftlichen Ressourcen zur Verfügung steht.

Bis zum Ende des Jahrhunderts wird die Weltbevölkerung um 45 Prozent zunehmen. Gleichzeitig schrumpft die landwirtschaftliche Nutzfläche um 20 Prozent. Zudem besteht das Risiko, dass die verfügbaren Flächen mit klassischen Methoden nicht effizient genug genutzt werden: Die Hälfte aller Landwirte weltweit erleidet jedes Jahr Verluste aufgrund schlechter Pflanzpraktiken. Wenn die Nachfrage nach Nahrungsmitteln aber gleichzeitig steigt, müssen die derzeitigen Agrarmodelle verbessert werden, um diese Lücken auszugleichen und die Lebensmittelversorgung sicherzustellen.

Die Schaffung eines digitalen Zwillings oder eines „virtuellen Modells“ aller landwirtschaftlichen Betriebe könnte der Landwirtschaft helfen, sich dieser Herausforderung zu stellen, indem sie entsprechende Daten transparent macht. Landwirte können so Erkenntnisse und Materialien auszutauschen sowie Daten über Ackerland und Pflanzenwachstum auf der ganzen Welt bekommen.

Ein wichtiges Instrument, um Bauern zu helfen, bessere Entscheidungen zu treffen, ist beispielsweise auch die neue IBM Watson Decision Platform for Agriculture. Diese Plattform kombiniert Daten, Satelliten, Mobiltelefone und Sensoren mit KI-Fähigkeiten zur Erfassung und Analyse unstrukturierter, visueller Daten über die landwirtschaftliche Bodennutzung. Das reicht von der Bodenchemie und Wasserversorgung über Pflanzenkrankheiten, Gerätenutzung und -verfügbarkeit bis hin zu drohenden Regenfällen, Hitzeperioden oder sogenannter Kaltschlieren.

Lebensmittelversorgung-Watson Desicion PlatformIBM Wissenschaftler in Kenia entwickeln beispielsweise eine Technologie, die es Sensoren ermöglichen könnte, Angebots- und Nachfragemuster basierend auf Grundwasserextraktionsdaten bereitzustellen.

In Afrika und Teilen Asiens verbindet das Startup „Hello Tractor“ Kleinbauern mit Geräte- und Datenanalysen, um einerseits die Ernteerträge zu verbessern und zum anderen Zugang zu Finanzdienstleistungen für Kleinkredite zu schaffen. „Hello Tractor“ arbeitet mit IBM Forschern zusammen, um seine mobile Plattform mit Technologien wie Watson Decision Platform for Agriculture, Blockchain und IBM Cloud zu erweitern.

Die Erstellung einer Nachbildung von Ackerland erfordert auch ein System, das Tausende von Terabyte an Daten verarbeitet. Das IBM PAIRS Geoscope ist eine Plattform, die speziell für Daten von Karten, Satelliten, Wetter, Drohnen, IoT und anderen Geräten entwickelt wurde. Es ermöglicht jedem, die verschiedenen Datensets zu erforschen und zu überwachen, die die landwirtschaftlichen Betriebe auf der ganzen Welt beeinflussen.

Mit einem digitalen Zwilling von landwirtschaftlichen Betrieben und landwirtschaftlichen Aktivitäten werden die Teilnehmer auf allen Ebenen der Nahrungskette Zugang zu mehr Informationen und Ressourcen haben, was zu einer gerechteren Agrarwirtschaft führt.

Zur Ernte…

Blockchain wird dabei helfen, mehr Essen auf unseren Tellern zu bringen und weniger zu verschwenden.

Innerhalb von fünf Jahren werden wir viele der kostspieligen Unbekannten innerhalb der Supply Chain der Lebensmittelversorgung beseitigen. Vom Landwirt bis zum Lebensmittellieferanten weiß jeder Teilnehmer genau, wie viel er pflanzen, bestellen und versenden muss. Der Nahrungsmittelverlust wird stark abnehmen, Landwirte werden ihre Ernteerträge steigern und die Produkte, die in den Einkaufswagen der Verbraucher landen, werden frischer sein – mit Hilfe der Blockchain und des IBM Food Trust.

Der IBM Food Trust wurde im Oktober 2018 gegründet und ist ein hochsicheres digitales Verzeichnis, das Blockchain-Technologie nutzt, um jedes Glied der Versorgungskette miteinander zu verbinden. Es ist das erste und einzige Netzwerk seiner Art – und innerhalb von fünf Jahren hat es das Potenzial, unser Nahrungsökosystem zu verändern.

Derzeit werden 45 Prozent aller Lebensmittel weggeworfen. Wenn IBM Food Trust mit Sensoren aus dem Internet der Dinge und KI-gestützten Echtzeitdaten kombiniert wird, könnte das beispielsweise Einzelhändlern helfen, mehr über das Essverhalten der Verbraucher zu erfahren. So können sie ihre Einkäufe im Großhandel anpassen, um sicherzustellen, dass Produkte genau zur richtigen Zeit in die Regale kommen.

IoT-Sensoren können eingesetzt werden, um Obst, Gemüse oder andere Lebensmittel auf dem langen Weg vom Feld zum Gemüsehändler um die Ecke zu verfolgen. Wenn diese Sensoren über den IBM Food Trust mit der Blockchain verbunden sind, könnten alle Beteiligten genaue Bestandszählungen in Echtzeit erhalten und so das gesamte System optimieren. Die Folge: Weniger Verschwendung und bedarfsgerechtere Lebensmittelversorgung.

Ins Regal…

Die Kartierung aller Mikroorganismen schützt uns zukünftig vor gefährlichen Bakterien in unseren Lebensmitteln.

Was wäre, wenn wir zukünftig Anomalien in den Mikrobiomen – die Gesamtheit aller Mikroorganismen der Erde, die die Erdkruste, Gewässer und Erdatmosphäre besiedeln – von Lebensmitteln nachweisen könnten?  Die genetischen Profile von Mikrobiomen zu kartieren, um die Lebensmittelsicherheit vorherzusagen, ist ein weiteres Projekt, an dem IBM Forscher arbeiten.

In den nächsten fünf Jahren werden alle, die für unsere Lebensmittelsicherheit verantwortlich sind, in der Lage sein zu verstehen, wie und wo Millionen verschiedene Arten von Mikroben innerhalb der Lebensmittelversorgung auftreten.  Durch die Sequenzierung der Genome des Mikrobioms oder der Gemeinschaft von Mikroben, die in den Lebensmitteln, die wir essen, vorhanden sind, ermöglichen IBM Forscher mit Partnern wie Mars Inc., Bio-Rad und Cornell University eine präventive Beobachtung der Nahrungsmittelqualität.

Lebensmittelversorgung-Kartierung2018 erstellte das Konsortium eine Datenbank mit allen Bakteriengenomen, die von Forschern in den letzten zwei Jahrzehnten sequenziert wurden. Mit den Erkenntnissen aus 500 Terabyte komplexer experimenteller Daten konnte das Team die Unterschiede zwischen den Mikrobiomen von sicheren und potenziell gefährlichen Inhaltsstoffen feststellen.

Mit Hilfe der DNA- und RNA-Sequenzierung könnten Forscher bald Mikrobiome überall dort identifizieren, wo die Lebensmittelproduktion oder der Verkauf stattfinden. Diese Analysen können verwendet werden, um Anomalien im Mikrobiom zu erkennen und reduzieren den Zeitraum für entsprechende Tests von Tagen auf wenige Minuten.

Auf den Tisch…

KI-Sensoren erkennen lebensmittelbedingte Krankheitserreger zu Hause.

Allein in den USA verursachen durch Lebensmittel übertragbare Krankheiten nach Schätzungen des Centers for Disease Control and Prevention (CDC) jedes Jahr 76 Millionen Krankheitsfälle und 325.000 Krankenhausaufenthalte – und bis zu 5000 Tote. Was wäre, wenn Technologien helfen könnten, schädliche Bakterien in Lebensmitteln zu erkennen, bevor sie uns krankmachen?

In den nächsten fünf Jahren werden Landwirte, die Lebensmittelindustrie und Händler gemeinsam mit Millionen von Hobbyköchen in der Lage sein, gefährliche Schadstoffe in Lebensmitteln mühelos zu erkennen. IBM Forscher entwickeln heute schon Handysensoren mit KI, die Bakterien bis zu einem Mikrometer Größe erkennen – das ist etwa 75-mal kleiner als ein menschliches Haar. Aber diese Sensoren werden nicht nur auf unseren Handys zu finden sein. Sie können in Schneidebretter oder auf Arbeitsflächen, in Transportwagen oder auf Lebensmittelbehältern und sogar in die Lebensmittelproduktion selbst integriert werden.

Diese Sensoren stellen die nächste Generation des Crypto Anchor Verifier dar. Das System verwendet KI- und maschinelle Lerntechniken, um mikroskopische Merkmale zu analysieren und die Wellenlängen verschiedener Substanzen und Objekte zu „lesen“. Nach dem Scannen eines Materials zeichnet ein Sensor Wellenlänge und mikroskopische Details auf einer Blockchain auf und vergleicht diesen „Fingerabdruck“ mit dem anderer identischer Substanzen. Mit Hilfe von KI-Algorithmen erkennt der Sensor abschließend, ob Gefahr besteht.

Auch hier könnte die Dauer eines Tests von Tagen auf Sekunden reduziert werden, so dass sogar Konsumenten schädliche E. Coli oder Salmonellen identifizieren können, bevor sie wegen ihnen gesundheitliche Schäden erleiden.

In den Müll…

Ein neuer Recycling-Prozess wird alten Kunststoffen neues Leben einhauchen und damit die Lebensmittelversorgung umweltfreundlicher gestalten.

Mehr als 272 Millionen Tonnen Kunststoff werden jedes Jahr weltweit produziert. Die meisten davon landen auf unseren Deponien oder in Gewässern. Ein Viertel davon besteht aus PET, einem Kunststoff, der häufig in Lebensmittelverpackungen wie Wasserflaschen oder Kleidungsstücken verwendet wird.

In fünf Jahren wird die Entsorgung von Abfällen und Herstellung neuer Kunststoffe vollständig umgestellt. IBM Forscher haben kürzlich eine neue Technologie namens VolCat entwickelt: Kunststoffflaschen, -behälter und -gewebe auf PET-Basis werden gesammelt, gemahlen und mit einem chemischen Katalysator in einem „Schnellkochtopf“ erhitzt. Mit Hitze und geringem Druck kann der Katalysator den zerkleinerten Kunststoff aufbrechen und reinigen. Der Prozess trennt Verunreinigungen wie Lebensmittelreste, Kleber, Schmutz, Farbstoffe und Pigmente vom Material, das für neues PET verwendbar ist. Der nutzbare Stoff, Monomer genannt, besteht aus einem weißen Pulver, das direkt wieder in den Produktionsprozess eingeleitet werden kann, um brandneue Kunststoffe herzustellen.

Lebensmittelversorgung-RecyclingIn den kommenden Jahren werden Fortschritte wie VolCat das Kunststoffrecycling effizienter und vielseitiger machen. Im Gegensatz zum traditionellen mechanischen Recycling wird das zukünftige Kunststoffrecycling sowohl farbige als auch klare Kunststoffe sowie schmutzige und saubere Behälter nutzen können und zu einem Endprodukt führen, das zu 100 Prozent recycelbar ist.

Ein Replay des Science Slams gibt es hier.

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